Additive Fertigung von Metallen, Keramiken und Kunststoffen mittels Composite Extrusion Modeling (CEM)
Additive Fertigungsverfahren haben zunehmend Einzug in die Herstellung von technischen Systemen und Komponenten gehalten. Seit 2019 ist das innovative CEM- Verfahren (Composite Extrusion Modeling) an der MFPA verfügbar und besteht aus der Maschine ExAm 255 für die additive Formgebung und der 2021 ergänzten Entbinder- und Sinteranlage Fusion Factory extended. Das materialoffene Verfahren ermöglicht bislang die Formgebung von Kunststoff-, Metall- und Keramikgranulaten und kann auf weitere Granulate (z.B. Glaskomposite) erweitert werden.
Forschung
-
Prozessoptimierung der additiven Fertigung von Metall/Keramik - Multimaterial-Bauteilen in der Gesamtbehandlung des Prozesses von der Designfestlegung der zu druckenden Geometrie sowie der von dem gewählten Ausgangsmaterial abhängigen optimalen Parameterermittlung in der Prozesskette Extrusion, Entbindern und Sintern.
Abbildung: Additive Fertigung im Gerät ExAM 255 von Metallbauteilen mit dem CEM-Verfahren; Rohlinge aus Edelstahl; Rohling aus Keramik
Abbildung: Gesinterte Bauteil aus Edelstahl - Additive Fertigung und Design von piezo-elektrischen Wandlern vor dem Hintergrund der Nachfrage nach smarten oder responsiven Materialien, deren Eigenschaften sich aufgrund äußerer Einflüsse gezielt verändern lassen
Abbildung: Additiver Herstellungsprozess piezokeramischer Bauteile, sowie erste Ergebnisse
Die additive Fertigungsanlage (3D-Drucker) ExAM 255 (AIM3D GmbH) kann den Dualdruck mit zwei verschiedenen Materialien mit Schichtdicken ab 0,05 mm und Bauraten von 20 bis 40 cm³/h (bei 0,4 mm Düse) in einem Bauraum von 255 x 255 x 255 mm³ realisieren. Das Druckbett ist bis 120 °C beheizbar. Für Bauteile aus thermoplastischen Werkstoffen ist die Herstellung nach der Formgebung (3D-Druck) abgeschlossen.
Bei der Verwendung von Metall- oder Keramik- Spritzgussgranulaten mit thermoplastischen Bindemitteln stellen die Bauteile nach der Formgebung Grünteile dar, welche in einen Entbinder- und Sinterprozess überführt werden müssen, um die Endprodukte zu erhalten. Dafür steht die Entbinder- und Sinteranlage Fusion Factory extended (XERION BERLIN LABORATORIES GmbH) mit Betriebsoption unter Schutzgasatmosphäre (Argon, Stickstoff) und Hochvakuum-Entbinderung sowie einem katalytischen Entbindersystem bereit. Der Bauraum hat ein Volumen von 250 x 250 x 250 mm³ und die maximale Betriebstemperatur beträgt 1.450 °C.
Abbildung: Additive Fertigungsanlage (3D-Drucker) ExAM 255;
Entbinder- und Sinteranlage Fusion Factory extended mit Katalyse-Einheit
- T. Lahmer, K. Nicolai, S. Kleemann, J. Lizarazu, H. Beinersdorf: Additive Fertigung von Metallbauteilen mittels Extrusionsverfahren, DVM-Tagungsbeitrag Arbeitskreis Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen, 03.11.2021, Berlin
Projekte
Fördermittelgeber/in
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektträger/in
VDI Technologiezentrum GmbH
Projektleiter/in
Prof. Dr. rer. nat. Tom Lahmer
Partner/innen
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Informatik im Bauwesen
Fraunhofer IGCV, Abteilung Materialien und Prüftechnik, Augsburg
Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Fertigungstechnik
Laufzeit
Apr 2021 - Mär 2024
Kurzfassung
Teilprojekt: Ontologien für die dezentrale Erfassung von mehrskaligen Kennwerten additiv gefertigter Stahlstrukturen
Additive Fertigungsverfahren halten zunehmend Einzug in die Generierung von technischen Systemen und Komponenten. Bezüglich der einsetzbaren Materialvielfalt und geometrischer Ansprüche ist bereits eine sehr hohe Quantität und Qualität erreicht. Dem stehen jedoch unzureichend verfügbare Materialkennwerte von additiv gefertigten Strukturen gegenüber, insbesondere erschwert durch die Tatsache, dass die entsprechenden Kennwerte stark prozessabhängig sind. Im Mittelpunkt des vorliegenden Forschungsvorhabens steht die mehrskalenorientierte Charakterisierung und Beschreibung von additiv gefertigten Metallstrukturen (AM) sowohl mittels experimenteller als auch numerischer Analyse sowie die Entwicklung entsprechender Ontologien, die Informationen über Skalengrenzen hinweg erfassen. Für ausgewählte Stahllegierungen soll die Herstellung von Probekörpern und die Charakterisierung der statischen und zyklischen Materialkennwerte vergleichend für drei verschiedene Technologien (ein pulverbettbasiertes, ein drahtbasiertes und ein extrusi-
onbasiertes Verfahren) erfolgen. Die dabei erhaltenen Kennwerte der AMS sind zu systematisieren, zu strukturieren, ontologisch zu beschreiben und letztlich semantisch zu modellieren, sodass die Kennwerte dezentral über Kooperationsplattformen (hier Plattform MaterialDigital) abrufbar sind.
Fördermittelgeber/in
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
ZIM-Kooperationsprojekte
Projektträger/in
AiF Projekt GmbH
Projektleiter/in
Dr.-Ing. Katja Nicolai
Partner/innen
XERION Berlin Laboratories GmbH
Laufzeit
Jul 2022 - Jun 2024
Kurzfassung
Das Kooperationsprojekt hat die Zielstellung, die extrusionsbasierte additive Fertigung von Materialien wie Metallen und Keramiken sowie Materialverbünde, sogenannte Multimaterialien, sichtbar zu beschleunigen und den sonst üblichen Trial-and-Error Aufwand durch Methoden der künstlichen Intelligenz stark zu reduzieren. Dafür wird in dem Projekt ein Mapping erarbeitet, welches Material, Ausgangsgeometrie sowie Prozessparameter mit den Produkteigenschaften verknüpft. Unter den Prozessparametern sind Einstellungen der Extrusion sowie der thermischen Nachbehandlung (Entbindern und Sintern) zu listen. Funktionale Abhängigkeiten sind speziell bei neuer Materialwahl nicht immer klar und müssen über ein intensives Fertigungs- und Analyseprogramm erarbeitet werden, welches ein Kernthema dieses Projektes ist. Die verfolgten Extrusionsverfahren, Fused Deposition Modelling (FDM) und Composite Extrusion Modelling (CEM) sind innovative Verfahren auf dem Markt und versprechen im Vergleich zu laser-basierten additiven Fertigungsverfahren deutlich geringere Investitionskosten, eine höhere Materialflexibilität sowie die Chance, Materialverbünde in einem Prozessschritt zu erstellen.
Wir forschen in den Anwendungsfeldern
Unser Dienstleistungsworkflow
Wir sehen uns als Enabler zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung mit anwendungsorientierten Forschungsschwerpunkten.
